核安全综合知识01

第一章原子核物理基础

考试要求：

●熟悉原子结构的知识（原子、原子核、同位素）

●熟悉放射性的概念、原子核衰变及其规律（核素图、半衰期、放射性活度的单位计算和

测量）

●熟悉射线（α射线、β射线、γ射线、X射线、中子等）及其与物质的相互作用。

●掌握核反应的类型

●了解核裂变及裂变反应的知识

思考题

1.原子的核式模型的假设是卢瑟福根据什么实验而提出的？其假设的结论是什么？

2.原子核是由哪两种粒子组成的？核素用（A,Z）X（N）来表示，符号中的A、Z、N各代

表什么量？

3.原子与原子核的尺度大小为什么量级？原子核的半径R与原子核的质量数A有什么关

系？

4.什么是原子核的结合能B(Z,A)？它是如何定义的？

5.什么是原子核的比结合能？为什么说图1-4中的比结合能曲线揭示了原子核裂变和聚

变能的基本原理？

6.放射性衰变服从指数规律，试说明式中衰变常数的物理意义。还常用哪些参数来描述衰

变过程的快慢，它们的关系是什么？

7.什么是放射源的放射性活度，常用什么单位来度量？Bq和Ci有什么关系？

8.根据表1-1列出常见的辐射，分析哪些是带电粒子？哪些是不带电粒子？

9.X射线（或γ射线）的等电磁辐射与物质相互作用与带电粒子与物质作用的作用机制有

何不同？γ射线与物质相互作用过程有哪几种？

10.窄束γ射线（或X射线）的吸收服从什么规律？线性吸收系数μ的物理含义是什么？其

量纲是什么？

11.在探测辐射中广泛使用的有哪几类探测器？

12.什么是核反应的反应道？一种入射粒子与某一种核的反应道仅仅只有一个吗？

13.如何区分放能核反应和吸能核反应？对吸能核反应如何求核反应阈能？

14.发生自发裂变的条件是什么？裂变能的定义是什么？

15.由中子引起的诱发裂变中如何区分易裂变核素和非易裂变核素？

16.指出链式裂变过程中瞬发裂变中子和缓发裂变中子对反应堆控制的作用？

本章小节

本章重点为论述原子核物理中的基本内容，本章分为了个小节论述：

第一节介绍了原子与原子核的结构，对原子的核外电子的壳层模型作了简单描述，解释

了电子能级的跃迁和特征X射线的形成机制。对原子核的组成及其稳定性、原子核的大小、原子核的结构能作了较为深入的讨论。并对质能联系定律，即爱因斯埋关系式作了必要的论述。

第二节讲解了原子核的放射性，重点放在放射性核素的指数衰变规律的论述，对常用的

衰变常数、半衰期和平均寿命的概念作了说明。对放射性活度的概念及其单位的定义进行了讨论，并对指数衰变规律的最基本应用实例作了解严。

第三节对最常用的辐射如α射线、β射线、X射线和γ射线及中子作了介绍，重点放在

它们与物质的相互作用。对探测原理上作了介绍，这对全面理解核安全是十分重要的。第四节对核反应的分类进行了讨论，论述核反应中反应道、核反应能及阈能、核反应的

截面和产额等最基本的概念。为此，应用了质心坐标系和实验室坐标系统的概念。

第五节介绍了核裂变反应的知识，讲解了自发裂变和诱发裂变的物理机制，重点放在后

者。裂变过程是当前核能利用的最重要的途径，也是当前形成核安全问题的主要来源，因此，对核裂变的产物，对废物的处理都需要给予特殊的关注。

引言

●1895年发现X射线、1896年发现放射性、1897年发现电子，这三大发明揭开了近代物

理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。

●其中，1896年法国科学家贝克勒尔发现天然放射性射线，成为人类第一次观察到核变

化的情况，通常人们把这一重大发现看成是原子核物理的开端，到20世纪50年代就逐步形成了研究物质结构的三个分支学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理。三者各有独立的研究领域和对象，但又紧密关联。

原子和原子核的基本性质

●世界万物是由原子、分子构成，每一种原子对应一种化学元素。

●到目前为止，包括人工制造的不稳定元素，人们已经知道了一百多种元素了。

●1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的核式模型假设，即原子是由原子核

和核外电子所组成；

●原子物理学（核外电子的运动构成了原子物理的主要内容）

●原子核物理学（主要研究对象为原子核）

●电子是由英国科学家汤姆逊于1897年发现的，也是人类发现的第一个微观粒子。

●电子带负电荷，电子电荷的值为e=1.60217733E-19C，且电荷是量子化的，即任何电荷

只是e的整数倍；电子的质量为me=9.1093897E-31kg；

●原子核带正电荷，原子核的电荷集中了原子的全部正电荷；

●原子的大小是由核外运动的电子所占的空间范围来表征的，原子可以设想为电子以原子

核为中心的，在距核非常远的若干轨道上运行；原子的大小半径为10E-8cm的量级；●原子核的质量远远超过核外电子的总质量，因此，原子的质量中心和原子核的质量中心

非常接近；

●原子核的线度只有几十飞米（1fm=10E-3m=10E-15cm），而密度高达10E8t/cm3。

●物质的许多化学及物理性质、光谱特性基本上只与核外电子有关；而放射现象则主要归

因于原子核。

一原子的壳层结构

●原子核核外电子又常称为轨道电子，把电子看成沿一定的轨道运行。电子在核外各轨道

呈一定的概率分布，但在一定的轨道上的概率分布上的概率分布较大而已。

●原子的轨道电子离核的距离是不能任意取值的，这也是微观世界的量子特性的一种表

现。电子轨道按照一定的规律形成彼此分离的壳层。K层、L层、M层、N层、O层等，通常用量子数n（n=1，2，3，…）代表壳层，并分别对应K层、L层、M层…，每个壳层最多可容纳2n2个电子。

●除了K层外，其它壳层又可分成若干的支壳层，支壳层的数目等于（2l+1）个，其中

l=n-1，l是描述电子轨道的量子数。通常用壳层符号及其右下标的罗马数字来表示支壳层。如LⅠ表示L壳层的第一个支壳层，可称为壳层LⅠ和MⅡ壳层。

●处于不同壳层的电子具有不同的位能，通常用能级图来表示其大小。离壳层越近其能级

越低。

●能级的能量大小就等于该壳层的结合能。能合能是负值，通常以KeV为单位，K壳层电

子的结合能的绝对值最大。

●用三个最子数n、l和j来描述不同的能级，其中n（=1、2、3、…）和l（=0，1，2，…）